基于IEC61850的數字化牽引變電所綜自系統通信網絡的仿真研究

陳忠革

摘 要：基于IEC61850標準的通信要求，構建了兩種可行的數字化牽引變電所通信網絡（CNDS）用以服務所內的綜自系統（IAS）。分析了它們的網絡性能，并在OPNET軟件中搭建相應的仿真模型，模擬不同的通信場景進行仿真驗證。結果表明，所構建的兩種通信網絡均能夠滿足IEC61850標準對傳輸時延的要求，網絡性能良好。

關鍵詞：IEC61850 數字化牽引變電所 綜自系統 網絡仿真

中圖分類號：TM764 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（b）-0027-02

IEC61850標準作為迄今為止最完善的變電站通信協議，是實現變電站數字化和智能化的基礎。高速電氣化鐵路客運專線具有速度快、節能環保和乘坐舒適的優點，是鐵路客運的必然發展趨勢。牽引變電所是高速鐵路客運專線的核心部分，為整條線路提供電源，同時它也是電力系統的重要用戶之一。

顯然，高速、可靠的CNDS是完成牽引變電所綜合自動化功能，達到牽引變電所數字化和智能化的必要前提。

1 CNDS的組建

CNDS的組建主要存在兩種主流方式，一是將過程層子網作為獨立部分進行組建，與站級網絡分開配置，稱為獨立過程層子網方式，缺點是各功能間隔之間無法進行信息共享，另一個是全站使用唯一的網絡進行連接，過程層信息得到最大程度的共享，成為全站唯一網絡方式。

2 獨立過程層子網方式下的CNDS實時性能仿真分析

2.1 過程層子網仿真分析

過程層子網上主要傳輸的數據包括：SV報文和GOOSE報文，這些報文種類較少，數據流量較為連續，且相對穩定，所以對過程層子網的仿真主要考察網絡的穩態性能。

在OPNET中搭建獨立過程層子網的仿真模型如圖1所示。其中紅色模塊為過程層各功能間隔，如牽引變壓器間隔的子網連接情況。通信鏈路采用100 Mbps光纖連接。各功能間隔子網的仿真模型展開如圖2～圖4所示?，F以圖2所示的主變壓器間隔子網為例進行說明如下：

（1）交換機為3Com公司的SSII型以太網交換機，全雙工通信，支持VLAN，所有子網交換機均與中心交換機相連。

（2）IED（智能電子設備）視為以太網節點，采用ethernet_wkstn_adv節點模型進行模擬，支持各類數據包的接收和發送。

（3）Application Definition和Profile Definition模塊用于配置網絡以及各個節點的業務狀態，Application Definition中設置仿真參數，Profile Definition用于將設定好的通信業務配置到所在網絡中。其余間隔子網的節點配置情況同理。

過程層子網主要仿真參數如表1所示。開關IED以5 ms為一個周期持續不斷地進行開入報文廣播發送；保護測控IED以1 ms為周期進行開出報文廣播發送，持續時間為10 ms。仿真時間設置為120 s。

2.2 站級網絡仿真分析

在OPNET中搭建站級網絡的仿真模型，節點功能名稱按高速鐵路客運專線牽引變電所IAS配置要求確定，SCADA節點用于綜合監控以及遠動的通信。FTP節點用于模擬大數據量的文件傳輸業務。

正常情況下的遙測/遙信數據持續通信，仿真時間設為30 s。正常情況下的控制命令由SCADA節點發出，設置其從10 s開始。20 s時產生突發性事件，各類突發性數據節點產生。

運行仿真得到站級網絡報文ETE Delay波形圖，站級網絡ETE Delay約為0.08 ms。在20s時由于突發事件的產生使網絡的ETE Delay有所波動，約增大至0.11 ms，而后ETE Delay復歸。滿足IEC61850對快速報文傳輸時延小于4 ms的要求。

3 全站唯一網絡方式下的CNDS實時性能仿真分析

獨立過程層子網方式的CNDS對于原有設備的兼容性較好，改造較易實現，是現有傳統變電所進行數字化改造的一種良好過渡方案。但該方式信息共享度低，或多或少地制約了變電所的數字化效能。

運行仿真得到全站唯一網絡方式下CNDS報文ETE Delay波形圖，可以看出，在0～30 s內，由于站控層和間隔層之間存在因突發事件導致的大量文件傳輸情況，網絡報文ETE Delay約為0.056 ms。30 s～60 s內，變電所處于正常運行狀態，僅由MU節點發送SV報文產生數據流量，ETE Delay約為0.048 ms。60 s時，變電所發生故障，產生GOOSE報文，ETE Delay增大至約為 0.054 ms。

4 結論

該文基于IEC61850標準及牽引變電所綜自功能的要求，提出了兩種數字化牽引變電所改造過程中的通信網絡組網方案。通過分析其各自的特點與實現難度，指出過程子網目前較易實現，而全站惟一網絡將憑借信息高度共享等優勢成為CNDS的最終形態。利用OPNET網絡仿真技術，依據CNDS實際承載的功能，建立了過程子網和站級網絡的動態仿真模型，圍繞網絡延時和端到端延時等網絡性能指標，對不同組網方式和應用功能下的網絡性能進行了考察，得出了具有普遍適用性的結論和建議，為分析解決此類問題提供了通用方法。

參考文獻

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